CN110986752B - 基于多频式励磁的角度自修正方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于多频式励磁的角度自修正方法及系统，系统包括多频信号产生模块，用于产生含有多个频率的激励信号，并将激励信号注入线圈中，产生磁场；高速ADC模块，用于对电磁感应产生的输出信号进行等时间差采样；以及将采样得到的输出信号转化为数字信号；微处理器模块，用于控制高速ADC模块的采样时序；以及利用傅里叶变换方法对数字信号的相位进行提取，获得被测旋转物体在各个频率上的角度函数；自修正模块，用于对所述角度函数进行误差参数的自提取，以及根据误差参数对角位移传感器进行修正。本发明的成本低且实用性高，可广泛应用于位移测量技术领域。

Description

基于多频式励磁的角度自修正方法及系统

技术领域

本发明涉及位移测量技术领域，尤其是基于多频式励磁的角度自修正方法及系统。

背景技术

电磁编码器通常包括磁极和读数头两部分，读数头注入单一的高频励磁信号，然后对角位移量进行调制，实现角位移测量，再配合空间等分技术对磁极进行合理平均分配，达到较高精度的位移测量的目的。按照磁场的产生方式，磁编码器可以分为依赖于交变电流激励线圈电磁感应的电磁编码器和永磁体编码器。电磁编码器在信号调制时，蕴含着“电-磁-电”反复转化过程，传感器输出信号包含了大量的谐波成分、使得输出的感应信号信噪比低、质量差；同时伴随着磁极均分不一致、安装偏心等因素导致的高阶次谐波。上述因素致使电磁编码器的原始精度不高，电磁编码器在实际使用之前，需要借助额外的高精度仪器进行精度的重复标定，或者是采用圆周上分布多个读数头的策略，通过平均效应消除谐波成分的自标定工作。不管是采用何种标定方法，不仅增加了硬件成本，而且使得电磁编码器应用于高精度场合时，校准工作异常的复杂繁琐。

位移测量包含了长度测量和角度测量。现代工业技术中，高精度的位移测量反馈技术已成为装备制造行业中的关键核心技术，被广泛地应用于芯片制造、高速数控加工中心、机器人的舵机控制等现代装备系统。尤其在工业机器人领域，角位移测量元件作为基础反馈元件，决定着工业机器末端执行机构或关节的高效率、高精度和高可靠性。电磁编码器作为一种常见的角位移传感器，与光学编码器相比，其不仅具有低廉的价格、较高的定位精度，而且还具有耐高温潮湿，不受油污、灰尘等环境因素的影响的特点，被广泛地应用于工业机器人的关节旋转角度检测、移动机器人的位移检测。

近年来，提高编码器的精度一直是该领域研究的热点方向。传统的校准方法是将编码器和一个更高精度的测量装置(例如编码器或多面棱体等)同轴安装，在不考虑轴系变形、安装偏心的情况下，等间距的对两个装置进行采样并求彼此的差值获得误差函数。虽然这种方法具有很高的校准精度，但是实时性差、操作非常繁琐、容易出错，很难实践推广。美国专利(公开号为US7143518B2)中，描述了一种等分平均法(EDA)，使用多个读数头以减少偏心误差，消除读数头个数整数倍之外的谐波误差成分。这种方法不仅硬件上增加了读数头，硬件成本增加，而且读数头需要等距离安装在圆周上，对于安装要求极高，所以该方法适合于实验室使用。中国专利(申请号为201710720507.8)描述了一种用于自校准的读数头优化布置方法，该专利用于改进EDA法的读数头安装问题，扩大了EDA法的应用场合，但是依旧需要安装多个读数头，硬件成本没有降低。另外，中国专利(专利申请号201310102713.4)描述了一种可实现在线自标定的时栅位移传感器系统及方法，采取了两组绕线方法(等效为两个读数头)，获取两组测量值，相互之间做差后，获得误差函数，该方法充分应用了圆周封闭原理与傅立叶变换定理，可以有效地提取出读数头的误差函数。

当前自校准技术，主要是日本提出的EDA法，即在圆周上等距离的分布多个读数头，通过多个读数头的平均效应以及圆周的封闭原理，可提取出编码器绝大部分的误差成分。但是该方法明显存在以下不足：1、多读数头的安装精度受限于编码器结构尺寸；2、直径太小的编码器，当读数头的个数大于3时，便存在严重的安装误差；3、一个圆周上不可能无限的等分安装读数头，且每个读数头的位置需要保证高度的一致性，EDA法的效果才明显。因此，读数头个数与安装给EDA法带来了严峻的挑战。这使得磁编码器在工业现场的校准过程，更多的是依赖于额外的高精度编码器，通过逐个点对比，获得系统误差。对于数字化和智能化爆发的当今时代，其急需进一步发展。

总的来说，现有的修正方法系统在具体实施和表现方面，尚存在诸多方面的缺陷。表现如下：(1)EDA法需要安装多个读数头，对安装要求极高且增大应用成本；(2)传统修正法需要等间距地采集整周的大量位置数据，过程繁琐负责，费时费力；(3)现有的方法都需要借助外界仪器，或者通过物理的方法构建多个读数头。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种成本低且实用性高的，基于多频式励磁的角度自修正方法及系统。

一方面，本发明实施例提供了一种基于多频式励磁的角度自修正方法，包括以下步骤：

将激励信号注入线圈中，产生磁场；其中，所述激励信号含有多个频率；

根据预设的时间差，对所述磁场产生的电磁感应信号进行采样；

将所述电磁感应信号转化为数字信号；

对数字信号的相位进行提取，获得被测旋转物体在各个频率上的角度函数；

对所述角度函数进行误差参数的自提取；

根据误差参数对角位移传感器进行修正；其中，所述角位移传感器包括但不限于电磁编码器、旋转变压器、感应同步器和时栅位移传感器。

进一步，还包括以下步骤：

通过角位移传感器的线圈的物理特性动态确定激励信号中包含的各个频率的值。

进一步，还包括以下步骤：

输入线圈的电阻和电感，确定不同频率激励信号对应的初相位。

进一步，还包括以下步骤：

将不同频率值的数字信号转化成模拟信号；

通过多通道的高速数字合成器和驱动叠加电路，对转化得到的信号进行处理，得到含有多个频率的激励信号。

进一步，还包括以下步骤：

向电磁编码器注入包含多个频率的励磁信号；

将角位移传感器的轴角变化转化为携带角度信息的感应信号。

进一步，还包括以下步骤：

通过傅里叶变换方法将时间域的电磁编码器的输出信号转化为频域信号，得到对应频点的复数；

通过反正切法，计算数字信号中每个频率对应的相位值。

进一步，还包括以下步骤：

确定被测旋转物体在第一频率上的第一测量角度，以及确定被测旋转物体在第二频率上的第二测量角度；

在确定第二测量角度与第一测量角度之间的角度差距不满足预设的阈值要求时，对第二频率进行动态调整，直至第二测量角度与第一测量角度之间的角度差距满足预设的阈值要求。

进一步，在确定被测旋转物体在各个频率上的测量角度后，计算得到被测旋转物体在第一频率的误差函数。

另一方面，本发明实施例还提供了一种基于多频式励磁的角度自修正系统，包括：

多频信号产生模块，用于产生含有多个频率的激励信号，并将激励信号注入线圈中，产生磁场；

高速ADC模块，用于对电磁感应产生的输出信号进行等时间差采样；以及将采样得到的输出信号转化为数字信号；

微处理器模块，用于控制高速ADC模块的采样时序；以及利用傅里叶变换方法对数字信号的相位进行提取，获得被测旋转物体在各个频率上的角度函数；

自修正模块，用于对所述角度函数进行误差参数的自提取，以及根据误差参数对角位移传感器进行修正。

上述本发明实施例中的一个或多个技术方案具有如下优点：本发明将含有多个频率的激励信号注入线圈中，接着对磁场产生的电磁感应信号进行采样，然后通过获取被测旋转物体在各个频率上的角度函数以及提取误差参数，实现对电磁编码器的自修正；本发明巧妙地利用线圈的物理特性，实现了同一测量步骤，能够输出多组输出结果；同时，本发明不需要安装多个读数头，只需要一个读数头，就可以达到多读数头的测量目的，成本低；另外，本发明无需搭建校准实验台，可以直接在实际应用场合对电磁编码器进行自校准，过程简单易操作，实用性高。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的系统工作流程示意图；

图2为本发明实施例的系统结构框图；

图3为本发明实施例的激励信号时域波形示意图；

图4为本发明实施例的激励信号频谱图；

图5为本发明实施例的多频励磁情况下的物理模型示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步解释和说明。对于本发明实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

针对现有修正系统存在的缺陷，本发明着力解决磁编码器修正时传统方法的众多弊端。本发明对磁编码器的自修正系统的有效性、实用性等方面做出更好的尝试。

本发明主要依靠多个频率的激励信号励磁单一的读数头替代传统的单一频率激励信号励磁多读数头，实现电磁编码器对极内的误差提取并达到自修正的目的。一方面，电磁编码器可采用市面上常见的编码器，无需重新设计，只需要修改激励信号和信号输出方式，便可以实现本方案提出的解决措施。另一方面，省去了多读数头的安装过程，可以通过调节频率，实现调制信号平移的效果，测量原理如图1所示。

本发明的方法和系统可以应用于包含通过交流电激励线圈产生磁场这种类型的角位移传感器，例如旋转变压器，感应同步器，时栅位移传感器等，下面则以电磁编码器为例，详细描述本发明基于多频式励磁的角度自修正方法及系统的具体实现原理：

本发明的系统框图如图2所示。包含了多频信号产生模块、微处理器模块、高速ADC模块、和自修正模块，其中多频模块用于产生含有多个频率的激励信号，注入线圈中，产生磁场；电磁感应产生的输出信号被高速ADC模块等时间差采样。微处理器控制ADC模块的采样时序，ADC将传感器的输出信号转化为数字信号，微处理器模块利用FFT(傅立叶变换)，对信号的相位进行提取，获得旋转物体分别在第一频率、第二频率、第三频率、第四频率和第五频率的角度函数。将其一起输入到自修正模块，进行误差参数的自提取。

由此可见，本发明功能多样，适用性强，用户体验好。因而，本发明有着极大的发展前景，而本发明的技术难点与突破点则主要在于多频激励的自修正法实现。综上所述，即为整个系统的技术实现方案。

本发明的激励信号S如图3所示，图中展示了单频激励信号和多频激励信号，单频激励信号为单一频率的三角函数，多频信号则包含了5个频率f₁、f₂、f₃、f₄、f₅，虽然时域波形表现的杂乱无章，但其频率成分则是相当地规则，如图4所示，频率的值由电磁编码器线圈的物理特性确定，在后面的实现步骤中会详细描述频率值的标定。

因为编码器系统是一个线性时变系统，将激励信号分解为各个频点的信号，可表示为公式(1)

其中，s_in表示励磁信号，f_i表示第i个频率，A_i表示第i个频率的信号幅度。

本实施例的电磁编码器的物理模型可以简化为图5所示，输入线圈的电阻等效为R，电感等效为L，线圈等效为R-L模型，忽略能量损耗，不同的输入频率产生不同的初相位，可表示为公式(2)：

其中，

表示f_i对应的初相位；ω_i为f_i对应的角频率；

根据电磁感应原理，理想的电磁编码器的输出信号s_out可表示为：

其中，θ为被测物体的旋转角度，

表示第i个频率的初相位。

本实施例合理设计五个频率值，使得5个频率产生的初相位的差值恰好可以等分圆周(360/5＝72)，如公式(4)所示：

多频率的激励信号注入到编码器线圈时，输出端可以检测到不同频率感应信号携带的角度信息。设频率f₁测得的角度为f₁(θ)，频率f₂测得的角度为f₂(θ)，频率f₃测得的角度为f₃(θ)，频率f₄测得的角度为f₄(θ)，频率f₅测得的角度为f₅(θ)，由傅立叶级数定理可知，任何一个周期函数，将其周期等分为n份，这意味着产生n条曲线，且相位偏移为

将所得到的曲线进行平均，则所得的结果中只含有n倍频率成分。将误差函数和f₁(θ)结合，则可以排除磁编码器对极内的误差。频率1的误差函数，可以表示为：

本实施例实现自标定的具体步骤如下：

步骤1：图2中的微处理器为stm32F7系列微处理器芯片，含有高精度时钟与数模电路，将经过公式(2)大约计算出来的频率值进行数字-模拟信号转化。选用多通道的高速直接数字合成器AD9959，并驱动叠加电路形成含有多个频率的激励信号。

步骤2：图2中所示的电磁编码器为参数较为理想的电磁编码器，将电磁编码器的输入端注入包含了多个频率的电流，电磁编码器开始工作，将轴角变化转化为感应电流信号。若被测物体旋转，编码器输出信号中含有丰富的特征信号。

步骤3：微处理器stm32f7控制模数转换芯片(ADC)7768，在高速精密的时钟节拍驱动下，对编码器的输出信号进行高速采样，形成周期性的数字序列，并通过并口接口进行数据传输。

步骤4：故利用stm32F7高性能的浮点运算能力，通过FFT(傅里叶变换)将时间域的信号转化为频域信号，获得对应频点的复数，通过反正切法，求解数字序列每个频率处的相位值，则图2中的f₁(θ)，f₂(θ)，f₃(θ)，f₄(θ)，f₅(θ)表示各自的测量值。

步骤5：标定激励信号的频率值。R-L模型与实际存有差距，为了高精度的自标定，需要对频率值进行二次标定。如果利用第一个频率测得角度为f₁(θ)＝Φ，在保证测量角度相距72°的前提下，利用第二个频率测得的角度应满足f₂(θ)＝Φ+72°，如不满足条件，则调节第二个频率，直到满足条件为止，依次类推，校准第三个频率，第四个频率和五个频率的值。

步骤6：将得到的5组结果，进行合适的运算，获得在第一频点处的误差函数。

另外，本发明实施例提供了一种基于多频式励磁的角度自修正系统，包括：

多频信号产生模块，用于产生含有多个频率的激励信号，并将激励信号注入线圈中，产生磁场；

高速ADC模块，用于对电磁感应产生的输出信号进行等时间差采样；以及将采样得到的输出信号转化为数字信号；

微处理器模块，用于控制高速ADC模块的采样时序；以及利用傅里叶变换方法对数字信号的相位进行提取，获得被测旋转物体在各个频率上的角度函数；

自修正模块，用于对所述角度函数进行误差参数的自提取，以及根据误差参数对角位移传感器进行修正。

至此，现有技术中，并没有出现通过多种频率组合的励磁信号注入线圈中，实现编码器误差自修正的方案。本发明结合已有的多读数头测量原理，采用完全不同的实现方式，即多种频率组合的励磁信号避免了安装多个读数头的技术方法。本发明的最终效果可以等效于多读数头效果，但是却没有多个物理读数头，这使得本发明简单可行。因此，本发明的实际意义极为可贵，可进一步拓宽编码器的应用市场。

综上所述，本发明基于多频式励磁的角度自修正方法及系统具有以下优点：

本发明在现有技术的基础上，设计了一种基于多频激励信号的电磁编码器自校准方法。此自校准方法与EDA法相比，主要有以下优点：1、巧妙地利用线圈的物理特性，实现了同一测量步骤，输出多组输出结果。2、不需要安装多个读数头，只需要一个读数头，变可以达到多读数头的测量目的；3、无需搭建校准实验台，可以直接在应用场合对电磁编码器进行校准，过程简单易操作。

由此可见，本发明不仅提出了电磁编码器的一种校准精度的解决方案，而且也开辟了多频励磁信号在电磁编码器中的应用领域。这些都对工业制造发展，特别是工业机器人领域的发展有着极大的现实意义。

另外，本发明不仅提出一种用于自校准的电磁编码器方法，而且也设计了实现多频率初相位等分圆周的方案。因此，基于本发明的变更设计及用途大致有以下几种。

1)基于本发明的自校准的应用。可以应用于除电磁编码器外的其他角位移传感器，如感应同步器，旋转编码器等依赖于线圈的位移传感器。

2)基于本发明的初相位等分圆周的频率校准算法。其可以将此算法应用于类似的多频激励信号应用中。

3)基于本发明的角度解算系统。其可以拓展应用到其他编码器的角度解算系统中。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (9)

1.基于多频式励磁的角度自修正方法，其特征在于：包括以下步骤：

将激励信号注入线圈中，产生磁场；其中，所述激励信号含有多个频率；

根据预设的时间差，对所述磁场产生的电磁感应信号进行采样；

将所述电磁感应信号转化为数字信号；

对数字信号的相位进行提取，获得被测旋转物体在各个频率上的角度函数；

对所述角度函数进行误差参数的自提取；

根据误差参数对角位移传感器进行修正；其中，所述角位移传感器是电磁编码器、旋转变压器、感应同步器或时栅位移传感器。

2.根据权利要求1所述的基于多频式励磁的角度自修正方法，其特征在于：还包括以下步骤：

通过角位移传感器的线圈的物理特性动态确定激励信号中包含的各个频率的值。

3.根据权利要求1所述的基于多频式励磁的角度自修正方法，其特征在于：还包括以下步骤：

输入线圈的电阻和电感，确定不同频率激励信号对应的初相位。

4.根据权利要求1所述的基于多频式励磁的角度自修正方法，其特征在于：还包括以下步骤：

将不同频率值的数字信号转化成模拟信号；

通过多通道的高速数字合成器和驱动叠加电路，对转化得到的信号进行处理，得到含有多个频率的激励信号。

5.根据权利要求1所述的基于多频式励磁的角度自修正方法，其特征在于：还包括以下步骤：

向电磁编码器注入包含多个频率的励磁信号；

将角位移传感器的轴角变化转化为携带角度信息的感应信号。

6.根据权利要求1所述的基于多频式励磁的角度自修正方法，其特征在于：还包括以下步骤：

通过傅里叶变换方法将时间域的电磁编码器的输出信号转化为频域信号，得到对应频点的复数；

通过反正切法，计算数字信号中每个频率对应的相位值。

7.根据权利要求1所述的基于多频式励磁的角度自修正方法，其特征在于：还包括以下步骤：

确定被测旋转物体在第一频率上的第一测量角度，以及确定被测旋转物体在第二频率上的第二测量角度；

在确定第二测量角度与第一测量角度之间的角度差距不满足预设的阈值要求时，对第二频率进行动态调整，直至第二测量角度与第一测量角度之间的角度差距满足预设的阈值要求。

8.根据权利要求7所述的基于多频式励磁的角度自修正方法，其特征在于：在确定被测旋转物体在各个频率上的测量角度后，计算得到被测旋转物体在第一频率的误差函数。

9.基于多频式励磁的角度自修正系统，其特征在于：包括：

多频信号产生模块，用于产生含有多个频率的激励信号，并将激励信号注入线圈中，产生磁场；

高速ADC模块，用于对电磁感应产生的输出信号进行等时间差采样；以及将采样得到的输出信号转化为数字信号；

微处理器模块，用于控制高速ADC模块的采样时序；以及利用傅里叶变换方法对数字信号的相位进行提取，获得被测旋转物体在各个频率上的角度函数；

自修正模块，用于对所述角度函数进行误差参数的自提取，以及根据误差参数对角位移传感器进行修正。

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